pełny tekst - Awarie budowlane

XXIV
awarie budowlane
XXIV Konferencja Naukowo-Techniczna
Szczecin-Międzyzdroje, 26-29 maja 2009
Dr hab. inŜ. KRZYSZTOF śÓŁTOWSKI, [email protected]
Mgr inŜ. MAREK SZAFRAŃSKI, [email protected]
Katedra Mechaniki Budowli i Mostów Politechniki Gdańskiej
USZKODZENIE WIADUKTU KOLEJOWEGO NAD DROGĄ
KRAJOWĄ NR 7. ANALIZA NOŚNOŚCI I SPOSÓB NAPRAWY
DAMAGES OF RAILWAY VIADUCT OVER ROAD 7. CARRYING CAPACITY ANALISYS
AND METHOD OF REPERATION
Streszczenie Przegląd wiaduktu kolejowego nad drogą krajową nr 7 w Pasłęku ujawnił znaczne deformacje
i uszkodzenia w dźwigarach głównych przęsła powstałe na skutek uderzeń pojazdów ponadgabarytowych.
W referacie przedstawiono analizę nośności oraz przyjęty sposób naprawy wspomnianego obiektu. Przedstawiono rezultaty analizy statyczno-wytrzymałościowej konstrukcji przęsła oraz nieliniowej analizy spręŜysto-plastycznej MES z uwzględnieniem istniejących deformacji. Analiza wykazała brak doraźnych zagroŜeń dla konstrukcji. Zalecono prace naprawcze z uwagi na efekty zmęczeniowe i ochronę korozyjną.
Abstract During inspection of railway viaduct over national road no. 7 in Paslek large deformations and
damages of bottom part of main span were observed. They were identified as an action of over size vehicles.
The paper describes carrying capacity analysis and proposed method of reparation of this viaduct. Numerical
evaluation was made. The results of linear and non-linear, elasto-plastic FEM analysis of damage mechanism are
presented. The analysis proved that global safety factors for damaged structure are reached under the life load.
However renovation of the steel structure has to be done to eliminate plastic deformation in flange and reduce
fatigue degradation of steel.
1. Wstęp
Uszkodzenia przęseł wiaduktów na skutek uderzeń pojazdów są zjawiskiem powszechnie
spotykanym. Częstą przyczyną jest zaniŜona skrajnia drogowa pod obiektem i ignorowanie jej
oznakowań przez uŜytkowników dróg. W wielu przypadkach, pomimo przepisowej skrajni,
dochodzi do uszkodzeń przęseł w wyniku uderzeń pojazdów ponadgabarytowych. Szczególnie niebezpiecznym zjawiskiem jest uszkodzenie pasów dolnych przęseł wiaduktów kolejowych. W takim wypadku awaria przęsła moŜe wywołać powaŜną katastrofę komunikacyjną.
Opisywany obiekt kolejowy zlokalizowany jest w ciągu linii kolejowej Olsztyn – Bogaczewo w km. kol. 74+970 nad drogą krajową nr 7 Warszawa – Gdańsk w Pasłęku. Ustrój nośny
przęsła stanowią dźwigary blachownicowe, współpracujące z ortotropową płytą jezdni. Dźwigary odchylone są pod kątem 20o od pionu. Dźwigar składa się ze środnika 1500×12, pasa
górnego 400×30 w strefie przypodporowej i 400×40 w strefie przęsłowej oraz pasa dolnego
310×20 na całej długości przęsła.
Konstrukcją jezdni jest płyta ortotropowa z poprzecznicami teowymi w rozstawie 1.37 m
oraz blachą pomostu, wzmocnioną podłuŜnymi Ŝebrami teowymi.
Mosty, drogi i koleje
Rys. 1. Widok ogólny wiaduktu od strony Warszawy
Rys. 2. Widok jezdni kolejowej wiaduktu
Nawierzchnię na wiadukcie stanowią szyny S-49 wraz z odbojnicami, ułoŜone na podkładach drewnianych typu II/B i podsypce. Podsypkę ułoŜono na warstwie betonu ochronnego
gr. 4 cm wylanego na izolacji z papy asfaltowej. Tor na obiekcie usytuowany jest w łuku
poziomym R = 960 m na krzywej przejściowej i w przechyłce. Po zewnętrznych stronach
dźwigarów głównych wykonano chodniki robocze z kątowników L80×80×8 oraz prefabrykowanych płyt Ŝelbetowych gr. 6 cm. Konstrukcja przęsła opiera się na masywnych, betonowych
przyczółkach posadowionych bezpośrednio. Maksymalna prędkość eksploatacyjna wg projektu wynosi 100 km/h. Schemat ogólny i przekrój poprzeczny wiaduktu pokazano na rys. 3 i 4.
Rys. 3. Schemat ogólny wiaduktu
Rys. 4. Przekrój poprzeczny wiaduktu
Podstawowe parametry geometryczne i materiałowe konstrukcji przęsła:
materiał konstrukcyjny dźwigarów i jezdni
stal St3M
materiał konstrukcyjny elementów chodnika
stal St3Sx
rozpiętość przęsła
Lt = 15.00 m
szerokość całkowita
Bc = 6.28 m
szerokość uŜytkowa chodników roboczych
Bch = 2×0.75 m
spadek poprzeczny torowiska
dwustronny 2%.
404
śółtowski K. i inni: Uszkodzenie wiaduktu kolejowego nad drogą krajową nr 7. Analiza nośności...
2. Inwentaryzacja uszkodzeń
Wizja lokalna na wiadukcie ujawniła znaczne miejscowe deformacje plastyczne i uszkodzenia konstrukcji przęsła powstałe w wyniku uderzeń pojazdów ponadgabarytowych.
W przypadku dźwigara od strony Warszawy stwierdzono:
lokalną deformację pasa dolnego dźwigara głównego i poprzecznicy,
lokalną deformację Ŝebra zewnętrznego dźwigara głównego,
wygięcie krzyŜulców dwóch wsporników chodnikowych,
zniszczenie połączenia dwóch krzyŜulców wsporników chodnikowych z przęsłem (ścięcie
nitów).
zniszczenie połączenia Ŝebra z pasem dolnym dźwigara (ścięcie spoiny).
Rys. 5. Schemat ogólny przęsła z zaznaczeniem strefy uszkodzenia dźwigara od strony Warszawy
Rys. 6. Uszkodzenia dźwigara od strony Warszawy: 1) zdeformowany pas, 2) wygięte krzyŜulce wsporników
chodnikowych, 3) zdeformowane Ŝebro dźwigara, 4) ścięte nity łączące krzyŜulce wsporników chodnikowych
z przęsłem, 5) deformacja pasa dolnego poprzecznicy, 6) ścięta spoina łącząca Ŝebro z pasem dolnym dźwigara
Rys. 7. Pomierzone deformacje pionowe krawędzi pasa dolnego dźwigara od strony Warszawy
405
Mosty, drogi i koleje
Lokalizację oraz stwierdzone uszkodzenia dźwigara od strony Warszawy pokazano
odpowiednio na rysunkach 5 i 6. Pomierzone deformacje pionowe zewnętrznej krawędzi pasa
dolnego w strefie uszkodzenia pokazano na rysunku 7.
W przypadku dźwigara od strony Warszawy stwierdzono:
lokalną deformację pasa dolnego dźwigara głównego i poprzecznicy,
lokalną deformację Ŝebra zewnętrznego dźwigara głównego,
zniszczenie połączenia pasa dolnego poprzecznicy z dźwigarem głównym (ścięty nit),
zniszczenie połączenia Ŝebra z pasem dolnym dźwigara (ścięcie spoiny).
Rys. 8. Schemat ogólny przęsła z zaznaczeniem strefy uszkodzenia dźwigara od strony Gdańska
Rys. 9. Uszkodzenia dźwigara od strony Gdańska: 1) deformacja pasa dolnego dźwigara głównego,
2) deformacja pasa dolnego poprzecznicy, 3) zniszczone połączenie spawane Ŝebra z pasem dolnym dźwigara,
4) ścięty nit połączenia pasa poprzecznicy z dźwigarem
Rys. 10. Pomierzone deformacje pionowe krawędzi pasa dolnego dźwigara od strony Gdańska
406
śółtowski K. i inni: Uszkodzenie wiaduktu kolejowego nad drogą krajową nr 7. Analiza nośności...
Lokalizację oraz stwierdzone uszkodzenia dźwigara od strony Gdańska pokazano odpowiednio na rysunkach 8 i 9. Pomierzone deformacje pionowe zewnętrznej krawędzi pasa
dolnego dźwigara od strony Warszawy w strefie uszkodzenia pokazano na rysunku 10.
3. Analiza nośności przęsła z uwzględnieniem istniejących deformacji
Obliczenia nośności wykonano metodą elementów skończonych (MES) przy wykorzystaniu programu SOFiSTiK [1]. W analizie nośności przyjęto charakterystyki materiału
wg projektu wiaduktu [2] odpowiadające stali St3M:
ρs = 78,5 kN/m 3
– cięŜar objętościowy
E = 205000 MPa – współczynnik spręŜystości podłuŜnej (moduł Young’a)
G = 80000 MPa
– współczynnik spręŜystości poprzecznej
ν = 0.3
– współczynnik Poissona
Re = 225 MPa
– charakterystyczna, gwarantowana granica plastyczności
Rm = 375 MPa
– wytrzymałość na rozciąganie
R = 195 MPa
– wytrzymałość obliczeniowa
Projektant wykonał obliczenia nośności przyjmując załoŜenie o pełnej współpracy blachy
koryta jezdni z dźwigarem głównym w przenoszeniu obciąŜeń. Aby zweryfikować to załoŜenie
wykonano przestrzenny belkowo-powłokowy model przęsła. Parametry geometryczne i materiałowe przyjęto zgodnie z projektem wiaduktu. Dźwigary główne, poprzecznice, Ŝebra pionowe,
blachę poszycia oraz środniki Ŝeberek podłuŜnych płyty pomostowej wymodelowano cztero
i trójwęzłowymi elementami powłokowymi. Elementami belkowymi wymodelowano pasy Ŝeberek podłuŜnych płyty pomostowej. Warunki brzegowe (podpory) przyjęto jako liniowe na
szerokości pasa dolnego, zgodnie z załoŜeniem układu swobodnie podpartego. W modelu numerycznym pominięto elementy chodników roboczych. CięŜar chodników uwzględniono w postaci
liniowego obciąŜenia, przyłoŜonego do pasów dolnych dźwigarów w osi środników. CięŜar
własny elementów konstrukcyjnych przęsła uwzględniono bezpośrednio w modelu numerycznym, natomiast cięŜar nawierzchni przyjęto jako obciąŜenie powierzchniowe na całej długości
przęsła. ObciąŜenie uŜytkowe przyjęto zgodnie z PN-85/S-10030 dla klasy k+1. Na rysunku 11
pokazano wizualizację modelu numerycznego przęsła wiaduktu.
Rys. 11. Wizualizacja modelu obliczeniowego oraz szczegół przypodporowy (SOFiSTiK)
Ogółem układ zdyskretyzowano na 42168 elementów, w tym 42000 elementów powłokowych klasy C0 i 168 elementów belkowych.
W ramach obliczeń statyczno – wytrzymałościowych wyznaczono obwiednie napręŜeń od
obciąŜeń charakterystycznych i obliczeniowych we wszystkich modelowanych elementach konstrukcji dla układu bez deformacji. Uwzględniono obciąŜenia stałe i zmienne dla klasy k+1
407
Mosty, drogi i koleje
zgodnie z PN-85/S-10030. Nośność oceniono wg hipotezy HMH. Na rysunku 12 przedstawiono
reprezentatywne wyniki napręŜeń w elementach dźwigara głównego. Ekstremalne obliczeniowe
napręŜenia normalne w elementach poprzecznic wyniosły 115,7 MPa, natomiast maksymalne
napręŜenia zastępcze (HMH) w płycie pomostowej osiągnęły wartość 165,2 MPa. Szczegółowe
zestawienie wyników dla poszczególnych elementów konstrukcyjnych podano w [3].
char
σ max
= 133.4 MPa
char
σ min
= -135 MPa
obl
σ max
= 201.7 MPa
obl
σ min
= -203.4 MPa
Rys. 12. Ekstremalne napręŜenia normalne w powierzchni środkowej elementów dźwigara głównego
Przeprowadzone obliczenia pozwalają na zakwalifikowane przęsła do klasy obciąŜeń k +1
wg PN-85/S-10030 (zlokalizowano przekroczenia napręŜeń granicznych w pasie górnym
dźwigara głównego na poziomie 4% i pasie dolnym na poziomie 3%).
Na bazie wcześniejszych doświadczeń [4, 5], przeprowadzono równieŜ nieliniową, spręŜysto-plastyczną analizę MES, symulującą efekt zdeformowania pasa. Przykładano w procesie
przyrostowym obciąŜenie do pasa dolnego w postaci ciśnienia do momentu uzyskania
rzeczywistych deformacji pasa. Na rysunku 13 pokazano wprowadzone deformacje oraz
otrzymany w rezultacie zakres stref plastycznych w obszarze uszkodzenia dźwigara od strony
Warszawy. Analiza potwierdziła zdolność do przenoszenia obciąŜeń przez przęsło i określiła
zakres uplastycznienia pasa dolnego.
Rys. 13. Deformacje pasa dolnego dźwigara od strony Warszawy wprowadzone do modelu numerycznego oraz
zakres stref plastycznych w obszarze uszkodzenia pasa (strefę uplastycznienia oznaczono intensywnym
czerwonym kolorem)
4. Działania naprawcze
Pomimo znacznych deformacji plastycznych pasów, nośność doraźna przęsła nie jest
zagroŜona. Istnieje jednak uzasadniona obawa o wytrzymałość zmęczeniową. Tak duŜych
deformacji pasów oraz towarzyszących im uszkodzeń pozostałych elementów nie moŜna
pozostawić bez naprawy.
Zaproponowano rozwiązanie, w którym kluczowa część działań naprawczych polega na
wymianie uszkodzonych elementów pasów dźwigarów [6]. Przed przystąpieniem do naprawy
408
śółtowski K. i inni: Uszkodzenie wiaduktu kolejowego nad drogą krajową nr 7. Analiza nośności...
naleŜy odciąŜyć konstrukcję w strefie uszkodzeń i tym samym zredukować tam napręŜenia.
W wyniku przeprowadzonych analiz wybrano wariant polegający na aktywnym podparciu
konstrukcji w przęśle (rys. 14). Po wprowadzeniu siły 2×240 kN w przęsło, uzyskano
skuteczne odciąŜenie stref uszkodzonych. Dzięki takiemu podejściu moŜliwe jest utrzymanie
ruchu wahadłowego pojazdów pod obiektem przy zachowaniu odpowiednich środków
bezpieczeństwa. Na rysunku 15 pokazano zastosowany model MES, natomiast na rysunku 16
rozkład napręŜeń w strefie uszkodzenia po wycięciu fragmentu pasa.
Rys. 14. Idea wyparcia przęsła podczas naprawy
Rys. 15. Model MES do symulacji procesu naprawy. Widok ogólny i szczegół wyciętego pasa
Rys. 16. WytęŜenie w rejonie wyciętego pasa przy zastosowaniu aktywnej podpory tymczasowej pod
obciąŜeniem cięŜarem własnym (wartości charakterystyczne). Intensywnym czerwonym kolorem oznaczono
wytęŜenie (G = 23 MPa wg hipotezy HMH)
Zakres naprawy obejmuje wymianę uszkodzonych elementów chodników roboczych,
naprawę styków pasów dolnych poprzecznic (styki spręŜone) oraz wspawanie nowych blach
409
Mosty, drogi i koleje
pasów dolnych dźwigarów w miejsce uprzednio wyciętych fragmentów zdeformowanych.
Szczegółowy zakres oraz procedurę naprawy wiaduktu przedstawiono w [6].
5. Podsumowanie
W referacie przestawiono problem uszkodzeń wiaduktu kolejowego na skutek uderzeń
pojazdów ponadgabarytowych.
Rosnące potrzeby i moŜliwości transportowe powodują często szereg naduŜyć i próby
przewozu ładunków znacznie przekraczających dozwolone gabaryty. Efektem tego są częste
kolizje z przęsłami wiaduktów usytuowanych nad drogami samochodowymi. Powoduje to ich
degradację, a w skrajnych przypadkach prowadzić moŜe do powaŜnego wypadku lub nawet
katastrofy. Istotnym, niebezpiecznym elementem takich zdarzeń jest przewaŜnie chęć ukrycia
kolizji lub jej zbagatelizowanie przez sprawcę. Prowadzi to do sytuacji skrajnie niebezpiecznych, szczególnie w przypadku wiaduktów kolejowych. Nie ma wówczas praktycznie Ŝadnej
szansy na wyeliminowanie uszkodzonego przęsła z eksploatacji. Uszkodzenia opisywanego
wiaduktu wykryto przez przypadek przy okazji oględzin sąsiedniego obiektu w Zielonce
Pasłęckiej [7]. Na skutek zderzenia, znacznej deformacji uległ tam środnik dźwigara oraz
zniszczone zostały wsporniki chodnikowe. Wypadek ten został zauwaŜony, poniewaŜ sprawca
kolizji uszkodził swój ładunek (koparka) i nie mógł odjechać niezauwaŜony. Podkreślić naleŜy,
Ŝe oba wiadukty nie ograniczają normowej skrajni drogowej i przeprowadzają ruch kolejowy
nad drogą krajową nr 7, a więc jedną z głównych tras komunikacyjnych kraju.
W najbliŜszym czasie będą prowadzone powaŜne przebudowy sieci drogowej kraju. Istnieje
więc realne zagroŜenie uszkodzenia przęseł wiaduktów przez ponadnormatywne pojazdy przewoŜące sprzęt budowlany. Fakt ten z pewnością podniesie zagroŜenie katastrofą komunikacyjną.
W tym wypadku standardowe działania prewencyjne mogą okazać się nieskuteczne i zdaniem
autorów, naleŜy zastanowić się nad systemem monitorowania naraŜonych konstrukcji.
Literatura
1. SOFiSTiK GmbH, Monachium. System analizy konstrukcji. www.sofistik.com.
2. Filipiuk S., Pietruszczyk, Szatkowski F.: Projekt wiaduktu kolejowego linii Olsztyn –
Bogaczewo km. kol. 74+970 nad drogą Warszawa – Gdańsk w Pasłęku.
3. Kozakiewicz A., Szafrański M., śółtowski K.: Ekspertyza naukowo techniczna dotycząca
oceny nośności i sposobu naprawy wiaduktu kolejowego linii Olsztyn – Bogaczewo km
74+970 w Pasłęku, lipiec 2007.
4. Chróścielewski J., śółtowski K., Kozakiewicz A., Malinowski M., Szafrański M.: „Ocena
wpływu „deformacji pierwotnych” środników na nośność przęseł mostu przez rzekę Wisłę
w Kiezmarku”, Ekspertyza naukowo–badawcza, Politechnika Gdańska, 2003.
5. Siwowski T., Sobala D., śółtowski K.: Ocena nośności uszkodzonego kratownicowego
dźwigara mostu kolejowego, XXII Konferencja Naukowo – Techniczna „Awarie
Budowlane”, Szczecin – Międzyzdroje, 2006.
6. Kozakiewicz A., Szafrański M., śółtowski K.: Projekt naprawy wiaduktu kolejowego linii
Olsztyn – Bogaczewo km 74+970 w Pasłęku, grudzień 2008.
7. Kozakiewicz A., Szafrański M., śółtowski K.: Ekspertyza naukowo techniczna dotycząca
oceny nośności i sposobu naprawy wiaduktu kolejowego linii Olsztyn – Bogaczewo km
70+305 w Zielonce Pasłęckiej, lipiec 2007.
410